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垂直腔面发射激光器(VCSELs)是一种新型的半导体激光器,具有出光方向垂直于衬底、能够实现在片测试、易集成、阈值电流低、效率高、发散角小等优点。目前VCSELs主要的研究方向有:波长扩展、波长集成、波长调谐、大规模二维阵列、横模控制等。波长连续可调VCSELs由于其调谐范围较大,光谱纯度较高成为光通信网络的全新器件,可用于气体检测,过程控制和医学诊断等方面。本论文对目前单片集成方式存在的困难进行了分析,提出了双片集成波长可调谐VCSELs的设计思路,对器件的性能进行了模拟分析,最终成功制备出双片集成波长可调谐VCSELs器件,验证了这种设计的可行性,实验结果与理论分析取得了很好的一致性。本论文主要的研究内容如下:
1.针对目前可调谐VCSELs单片实现方式,分析了其在工艺实现中存在的困难:(1)在传统的VCSELs结构中增加厚的牺牲层,并在之上继续生长多层结构,外延生长困难;(2)牺牲层厚度薄(微米量级),利用横向腐蚀制备可动悬臂,工艺困难:(3)受牺牲层横向腐蚀长度限制,器件结构和微机械系统(MEMS)结构设计困难,提出了双片集成波长可调谐VCSELs的物理结构。这种新结构器件有两部分组成:一部分为可弯曲的薄膜镜面;另一部分为半结构的VCSELs结构,由固定的底面反射镜和放大区域组成,该方法最大的优点是可以分别优化设计可调谐反射镜和有源区部分,使得器件性能最优化。
2.选用多物理场耦合分析软件模拟了单悬臂模型、双悬臂模型和四悬臂模型的载荷-位移关系,得出在等步长载荷条件下,两种模型的悬臂梁形变随着载荷的增加非线性增大。对四悬臂薄膜模型进行了模拟分析,模拟了其载荷-位移关系、最大形变效果图和米塞斯应力分布情况。对于空气隙厚度为2μm的四悬臂模型,最大位移量678nm。米塞斯应力分布分析表明,模型固定端应力最大,最容易毁坏,在设计过程需要加固模型固定端以提高器件的可靠性。
在实际应用中,微机械结构为多介质层,对GaAs/Al0.9Ga0.1As组成的DBR结构进行了模拟,推导出适合于多介质层结构的等效结构刚度通式,模拟了不同介质层数悬臂梁的频率响应。由于各层材料的杨氏模量和热膨胀系数不同,层与层之间的形变产生了相互抑制作用,随着介质层数从2层增加到10层,等效结构刚度从0.8N/m增加到2.8N/m,基本频率逐步增大,系统的动态性能提高。
3.对关键工艺步骤中的GaAs背孔工艺进行了系统的研究。研究了不同刻蚀条件对刻蚀速率、刻蚀形貌、刻蚀选择比的影响。通过优化气压、功率、Cl2/SiCl4混合气体组成配比,得出了最佳刻蚀条件。在Cl2流量为30sccm,SiCl4流量为12sccm,源功率功率为600W,偏压功率为200W,压强12mTorr的刻蚀条件下,得到理想的刻蚀深度和侧壁形貌,刻蚀选择比可以到达1:21,最大刻蚀速率达到8.8μm/min。
对聚酰亚胺作为牺牲层材料的横向刻蚀技术进行了研究。实验结果表明增大腔室压强、增加氧气流量、采用散热性较好的刻蚀托盘、刻蚀气体中加入SF6均有利于提高横向刻蚀速率。通过优化刻蚀参数,得出最佳横向刻蚀条件,当腔室温度为20℃,偏压功率为0W,源功率为800W,压强20mTorr,O2流量100sccm,SF6流量7sccm,同时采用散热性能较好的金属托盘时,横向刻蚀速率可达到0.1μm/min。
4.制备出双片集成波长可调谐VCSELs器件,对器件性能进行了测试,得出阈值电流为1.8mA,阈值电压为1.4V,工作电压为2.8V,55mA下激光器光功率为7.2mW,斜率效率为0.179W/A。在调谐电压从0V增加到3V的过程中,谐振波长从984.7nm移动到980.2nm,调谐范围达到4.5nm,验证了双片集成波长可调谐VCSELs方案的可行性,实验结果与理论模拟结果取得了很好的一致性。